直升機柔性梁扭轉(zhuǎn)承載力研究

聶海民 孫云偉 宋云

（中國直升機設(shè)計研究所，江西景德鎮(zhèn) 333001）

0.引言

無軸承式旋翼因其良好的操縱性、優(yōu)異的可靠性等優(yōu)勢逐步受到直升機領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的青睞[1]，如圖1所示，西科斯基某型號的旋翼結(jié)構(gòu)就采用該構(gòu)型，該結(jié)構(gòu)主要通過柔性梁的扭轉(zhuǎn)變形實現(xiàn)槳葉的變距運動，而柔性梁的彎曲變形則可以實現(xiàn)槳葉的揮舞運動[2-3]。

圖1 西科斯基某型號旋翼結(jié)構(gòu)示意圖

在旋轉(zhuǎn)離心力下，柔性梁應(yīng)擁有足夠的強度，在此基礎(chǔ)上，為實現(xiàn)槳葉的變距運動，柔性梁須保證良好的扭轉(zhuǎn)承載力，這就對柔性梁結(jié)構(gòu)強度提出了更高的要求。因此，研究柔性梁在恒定離心力下，扭矩對其承載力的影響是十分必要的。

1.柔性梁扭轉(zhuǎn)強度試驗

以直升機簡化后的扭轉(zhuǎn)柔性梁為研究對象，扭轉(zhuǎn)柔性梁可劃分為5部分：根部連接區(qū)、根部過渡區(qū)、扭轉(zhuǎn)變形區(qū)、槳葉過渡區(qū)以及槳葉連接區(qū)。在根部過渡區(qū)、扭轉(zhuǎn)變形區(qū)和槳葉過渡區(qū)上下表面中間區(qū)域設(shè)置寬10mm、高12mm的加強筋，柔性梁結(jié)構(gòu)形式及尺寸如圖2所示。整個柔性梁結(jié)構(gòu)由復(fù)合材料組成，其材料參數(shù)見表1。表1中：Rm表示平均斷裂極限；Rm-kq表示安全斷裂極限。

表1 柔性梁材料參數(shù)表

圖2 扭轉(zhuǎn)柔性梁結(jié)構(gòu)形式及尺寸示意圖

該柔性梁在真機狀態(tài)下承受離心力和扭矩，其破壞是由扭矩引起的，需要進(jìn)一步研究柔性梁在恒定離心力下扭矩對其承載力的影響。為模擬該柔性梁真實裝機狀態(tài)，設(shè)計一套專用試驗臺，將柔性梁根部連接區(qū)端部固定在試驗臺上，在柔性梁槳葉連接區(qū)端部施加50000N恒定離心力，通過軸承在柔性梁槳葉連接區(qū)端部施加扭矩，研究扭矩對柔性梁承載力的影響，加載裝置如圖3所示。

圖3 柔性梁扭轉(zhuǎn)試驗加載示意圖

2.柔性梁扭轉(zhuǎn)數(shù)值模擬

柔性梁為復(fù)合材料構(gòu)件，當(dāng)柔性梁產(chǎn)生局部損傷，還能繼續(xù)承載，進(jìn)一步承載后，柔性梁結(jié)構(gòu)損傷逐漸累積并擴展直至柔性梁完全破壞，喪失承載力?；诖颂匦?，應(yīng)用漸進(jìn)失效理論[4]，該理論核心思想為：柔性梁結(jié)構(gòu)承載發(fā)生局部失效時對該區(qū)域剛度進(jìn)行折減，從而改變整個柔性梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力場分布，達(dá)到新的平衡狀態(tài)。載荷逐漸加大，柔性梁結(jié)構(gòu)局部損傷逐步累積擴展，重復(fù)計算柔性梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變，直至柔性梁結(jié)構(gòu)完全破壞，其分析流程如圖4所示。

圖4 漸進(jìn)失效分析流程

應(yīng)用漸進(jìn)失效理論，其關(guān)鍵問題在于：如何準(zhǔn)確判斷柔性梁結(jié)構(gòu)單元是否發(fā)生失效。本文采用Shokrieh-Hashin準(zhǔn)則作為復(fù)合材料柔性梁結(jié)構(gòu)單元的失效判據(jù)[5]，該準(zhǔn)則的優(yōu)點在于：能準(zhǔn)確判斷復(fù)合材料構(gòu)件的具體失效模式，進(jìn)而可以根據(jù)構(gòu)件不同的失效模式，對失效區(qū)域單元剛度進(jìn)行針對性的退化折減，該準(zhǔn)則失效判據(jù)如表2所示。

表2 Shokrieh-Hashin準(zhǔn)則失效判據(jù)

在ABAQUS軟件中，對柔性梁根部連接區(qū)端部2個螺栓孔區(qū)域施加固定約束，將50000N的離心力均布在柔性梁槳葉連接區(qū)端部中心區(qū)域截面上，在柔性梁槳葉連接區(qū)端部外側(cè)中心建立參考點，將參考點與該截面的節(jié)點進(jìn)行耦合，在參考點施加扭矩。柔性梁結(jié)構(gòu)模型采用C3D8R單元，其網(wǎng)格劃分如圖5所示。

圖5 柔性梁網(wǎng)格劃分示意圖

3.扭矩轉(zhuǎn)角曲線對比

柔性梁扭轉(zhuǎn)試驗件最終破壞后喪失承載能力，無法進(jìn)一步采集試驗數(shù)據(jù)，故最終采集的扭矩值即可表征該試驗件的極限扭矩值。采用ABAQUS軟件模擬該柔性梁扭轉(zhuǎn)失效行為，施加的扭矩一旦達(dá)到某一臨界值，扭矩迅速下降，結(jié)構(gòu)喪失承載力，此臨界值即為柔性梁結(jié)構(gòu)極限扭矩值。將試驗數(shù)據(jù)及ABAQUS仿真結(jié)果繪制成圖6所示的扭矩轉(zhuǎn)角曲線。

圖6 柔性梁扭矩轉(zhuǎn)角曲線

由圖6可知，試驗中測得的柔性梁扭轉(zhuǎn)試驗件的極限扭矩值為178.56N·m，而ABAQUS仿真得到的該結(jié)構(gòu)極限扭矩值為172.89N·m，誤差為3.2%，二者相差不大，且兩條扭矩轉(zhuǎn)角曲線基本吻合。因此，采用該模擬方法能較為準(zhǔn)確地模擬柔性梁在恒定離心力下的扭轉(zhuǎn)失效行為。

4.加強筋對柔性梁扭轉(zhuǎn)承載力的影響

4.1 是否存在加強筋對柔性梁扭轉(zhuǎn)承載力的影響

為研究加強筋對柔性梁扭轉(zhuǎn)承載力的影響，取消柔性梁根部過渡區(qū)、扭轉(zhuǎn)變形區(qū)和槳葉過渡區(qū)上下表面中間區(qū)域的加強筋，其他參數(shù)保持不變。對柔性梁結(jié)構(gòu)施加相同的約束和載荷，將仿真結(jié)果繪制成如圖7所示的扭矩轉(zhuǎn)角曲線。

如圖7所示，不設(shè)置加強筋柔性梁結(jié)構(gòu)的極限扭矩值為146.53N·m，設(shè)置加強筋柔性梁結(jié)構(gòu)的極限扭矩值為172.89N·m，相對于不含加強筋的柔性梁，含有加強筋的柔性梁扭轉(zhuǎn)承載力提升17.99%。因此，對于主要承受扭轉(zhuǎn)載荷的柔性梁應(yīng)該在其根部過渡區(qū)、扭轉(zhuǎn)變形區(qū)和槳葉過渡區(qū)上下表面中間區(qū)域設(shè)置加強筋。

圖7 柔性梁扭矩轉(zhuǎn)角曲線

4.2 不同類型加強筋對柔性梁扭轉(zhuǎn)承載力的影響

由上節(jié)可知，在柔性梁根部過渡區(qū)、扭轉(zhuǎn)變形區(qū)和槳葉過渡區(qū)上下表面中間區(qū)域設(shè)置加強筋可以提高柔性梁的扭轉(zhuǎn)承載力。由于加強筋結(jié)構(gòu)形式多變且復(fù)合材料本構(gòu)關(guān)系復(fù)雜，使得加強筋結(jié)構(gòu)發(fā)生輕微變化都有可能影響整個柔性梁結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)承載力。目前，較為常見的加強筋剖面型式有：T型、帽型、I型和J型[6]，如圖8所示。本節(jié)探討在保證加強筋截面極慣性矩保持不變的前提下，加強筋選取不同剖面類型對柔性梁扭轉(zhuǎn)承載力的影響。

圖8 4種剖面型式加強筋示意圖

對這4種類型加強筋柔性梁施加相同的約束和載荷，對柔性梁根部連接區(qū)端部2個螺栓孔區(qū)域施加固定約束，將50000N的離心力均布在柔性梁槳葉連接區(qū)端部中心區(qū)域截面上，在柔性梁槳葉連接區(qū)端部外側(cè)中心建立參考點，將參考點與該截面的節(jié)點進(jìn)行耦合，在參考點施加扭矩。將仿真得到的結(jié)果繪制成如圖9所示的扭矩轉(zhuǎn)角曲線。

如圖9所示，T型加強筋柔性梁結(jié)構(gòu)的極限扭矩值為172.89N·m，帽型加強筋柔性梁結(jié)構(gòu)的極限扭矩值為179.65 N·m，I型加強筋柔性梁結(jié)構(gòu)的極限扭矩值為171.28N·m，J型加強筋柔性梁結(jié)構(gòu)的極限扭矩值為169.74N·m。4種剖面型式加強筋柔性梁結(jié)構(gòu)的極限扭矩值從大到小依次為：帽型、T型、I型、J型。

圖9 柔性梁扭矩轉(zhuǎn)角曲線

4.3 帽型加強筋傾角對柔性梁扭轉(zhuǎn)承載力的影響

由上節(jié)可知，帽型加強筋柔性梁結(jié)構(gòu)擁有更好的扭轉(zhuǎn)承載力，故柔性梁結(jié)構(gòu)加強筋的剖面型式應(yīng)該選取為帽型，而不同的帽型加強筋傾角也有可能改變整個柔性梁結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)承載力，本節(jié)研究帽型加強筋傾角對柔性梁扭轉(zhuǎn)承載力的影響。在保證帽型加強筋截面極慣性矩不變的前提下，其傾角分別取為 15°、30°、45°、60°、75°、90°，對這6種不同傾角帽型加強筋柔性梁結(jié)構(gòu)施加相同的約束和載荷，將仿真得到的6種不同傾角帽型加強筋柔性梁結(jié)構(gòu)扭矩轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)繪制成如圖10所示的扭矩轉(zhuǎn)角曲線。

圖10 柔性梁扭矩轉(zhuǎn)角曲線

由圖10可知，在保證帽型加強筋截面極慣性矩不變的前提下，其傾角取為60°，柔性梁結(jié)構(gòu)的極限扭矩值最大，其扭轉(zhuǎn)承載力最好。

5.結(jié)語

實現(xiàn)槳葉變距運動的扭轉(zhuǎn)柔性梁是無軸承式旋翼的重要組成部分，本文以扭轉(zhuǎn)柔性梁為研究對象，采用ABAQUS軟件，應(yīng)用漸進(jìn)失效理論，研究柔性梁在恒定離心力下的扭轉(zhuǎn)承載力，并將仿真得到的結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗證模擬方法的正確性。進(jìn)而研究是否含有加強筋、加強筋的類型、加強筋的傾角對柔性梁扭轉(zhuǎn)承載力的影響?；谝陨涎芯康贸鋈缦陆Y(jié)論：

（1）基于ABAQUS軟件，應(yīng)用漸進(jìn)失效理論，采用Shokrieh-Hashin準(zhǔn)則能較為準(zhǔn)確地模擬柔性梁在恒定離心力下的扭轉(zhuǎn)失效行為。

（2）相對于不含加強筋的柔性梁，含有加強筋的柔性梁扭轉(zhuǎn)承載力提升17.99%。

（3）在保證加強筋截面極慣性矩不變的前提下，相較于T型、I型、J型加強筋，帽型加強筋柔性梁扭轉(zhuǎn)承載力更高。

（4）在保證加強筋截面極慣性矩不變的前提下，帽型加強筋的傾角為60°時，柔性梁的扭轉(zhuǎn)承載力最高。